DE3533104A1

DE3533104A1 - Frequency divider with a mixing stage

Info

Publication number: DE3533104A1
Application number: DE19853533104
Authority: DE
Inventors: Hans-Martin Prof Dr Ing Rein
Original assignee: Telefunken Electronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 1985-09-17
Filing date: 1985-09-17
Publication date: 1987-04-02
Also published as: DE3533104C2

Abstract

In an integrable transistorised frequency divider with a mixing stage, at least some of the transistors of the divider are unipolar transistors (field effect transistors), whereas the mixing stage is designed as a push-pull modulator.

Description

Zur Teilung hoher Frequenzen werden heute neben statischen Teilern so genannte dynamische Frequenzteiler verwendet. Ein dynamischer Frequenz teiler ist beispielsweise in der Zeitschrift "Philips technische Rundschau" 38 Nr. 2, 1979, Seite 47 - 62, insbesondere Seite 59 beschrieben. Dieser dyna mische Frequenzteiler weist eine Mischstufe auf, die zur Mischung von Signa len dient, deren Frequenzen sich um den Faktor 2 unterscheiden.In addition to static dividers, the division of high frequencies is the same today called dynamic frequency divider used. A dynamic frequency divider is, for example, in the magazine "Philips Technische Rundschau" 38 No. 2, 1979, pages 47-62, in particular page 59. That dyna Mix frequency divider has a mixer that is used to mix Signa len serves, whose frequencies differ by a factor of 2.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Frequenzteiler anzugeben, der monolythisch integrierbar ist und der sich für extrem hohe Frequenzen eignet. Diese Aufgabe wird bei einem integrierbaren Frequenzteiler mit Misch stufe nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der Frequenzteiler transistori siert ist und daß die Transistoren zumindest teilweise unipolare Transisto ren sind. Vorzugsweise sind jedoch sämtliche Transistoren des Differenzver stärkers unipolare Transistoren.The invention has for its object to provide a frequency divider, which can be integrated monolithically and which is suitable for extremely high frequencies is suitable. This task is done with an integrable frequency divider with mixing stage according to the invention solved in that the frequency divider transistori siert and that the transistors at least partially unipolar Transisto are. However, all transistors of the differential ver are preferably stronger unipolar transistors.

Unipolare Transistoren sind Transistoren, die - im Gegensatz zu bipolaren Transistoren - nur auf dem Transport einer Ladungsträgersorte (Elektronen oder Löcher) basieren. Hierzu gehören die MESFET-Transistoren und die Junction FET-Transistoren. Ein MESFET-Transistor ist bekanntlich ein Feldeffekttransistor (FET), bei dem wie bei einem Junction-FET der Querschnitt der Kanalzone durch eine Raumladungszone verändert wird. Während bei einem Junction-FET diese Raum ladungszone durch einen pn-Übergang erzeugt und gesteuert wird, wird die Raum ladungszone bei einem MESFET-Transistor durch einen Schottky-Kontakt erzeugt.Unipolar transistors are transistors that - unlike bipolar ones Transistors - only on the transport of a charge carrier type (electrons or holes). These include the MESFET transistors and the junction FET transistors. As is known, a MESFET transistor is a field effect transistor (FET), in which, like a junction FET, the cross section of the channel zone through a space charge zone is changed. While with a junction FET this space charge zone is generated and controlled by a pn junction, the space charge zone in a MESFET transistor generated by a Schottky contact.

Mit unipolaren Transistoren lassen sich höhere Grenzfrequenzen erzielen als mit Bipolartransistoren, wenn sie auf Verbindungshalbleitern wie z. B. GaAs basieren. Außerdem weisen sie eine höhere Strahlungsfestigkeit auf. Der Frequenzteiler nach der Erfindung eignet sich also nicht nur für sehr hohe Frequenzen, sondern er weist auch eine besonders hohe Strahlungs festigkeit auf.Higher cutoff frequencies can be achieved with unipolar transistors than with bipolar transistors when they are on compound semiconductors such. B. GaAs based. They also have higher radiation resistance. The Frequency divider according to the invention is therefore not only suitable for very high frequencies, but it also exhibits particularly high radiation strength on.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Frequenzteiler neben einer Mischstufe einen transistorisierten Verstärker mit unipolaren Tran sistoren auf, der eine weitere Erhöhung der maximalen Betriebsfrequenz, eine Vergrößerung der Breite des zulässigen Frequenzbereichs und eine höhere Eingangsempfindlichkeit bewirkt.According to one embodiment of the invention, the frequency divider also has a mixing stage a transistorized amplifier with unipolar tran sistors on, which further increases the maximum operating frequency, an increase in the width of the allowable frequency range and a larger one Input sensitivity causes.

Die Erfindung wird im folgenden an Ausführungsbeispielen erläutert.The invention is explained below using exemplary embodiments.

Das Prinzip eines Frequenzteilers mit Mischer ist in Fig. 1 angegeben. Es sind prinzipiell 3 Funktionsblöcke erforderlich. Ein Eingangssignal der Fre quenz 2f wird mit einem Signal der Frequenz f gemischt. Neben der Frequenz f entstehen die entsprechenden Oberwellen. Letztere müssen herausgefiltert wer den. Die Grundwelle der Frequenz f wird verstärkt und auf den zweiten Eingang des Mischers zurückgeführt. Das Eingangssignal mit der Frequenz 2f wird dem Eingang 1 zugeführt, die Mischung des Eingangssignals mit einem Signal der Frequenz f erfolgt im Mischer 2. Die Oberwellen des durch die Mischung ent stehenden Mischsignals werden mittels des Tiefpasses 3 herausgefiltert. Die Verstärkung des gefilterten Signals mit der Frequenz f erfolgt durch den Ver stärker 4. Der Rückkopplungszweig zur Rückkopplung des verstärkten Signals auf den zweiten Eingang des Mischers 2 ist mit 5 bezeichnet.The principle of a frequency divider with mixer is given in Fig. 1. In principle, 3 function blocks are required. An input signal of frequency 2 f is mixed with a signal of frequency f . In addition to the frequency f , the corresponding harmonics arise. The latter must be filtered out. The fundamental wave of frequency f is amplified and fed back to the second input of the mixer. The input signal with the frequency 2 f is fed to the input 1 , the mixing of the input signal with a signal of the frequency f takes place in the mixer 2 . The harmonics of the mixed signal resulting from the mixing are filtered out by means of the low-pass filter 3 . The amplified signal with frequency f is amplified by the amplifier 4 . The feedback branch for feeding back the amplified signal to the second input of the mixer 2 is denoted by 5 .

Alle 3 Funktionen lassen sich im Prinzip mit einem transistorisierten Modu lator realisieren, falls dieser eine ausreichende Verstärker- und Tiefpaß wirkung besitzt. Besonders vorteilhaft sind Gegentaktmodulatoren, da hier beim Mischen nur die ungeraden Oberwellen entstehen. Dadurch kann die Tief paßfunktion leichter realisiert werden, was insbesondere bei monolythischer Integration wichtig ist. Außerdem wird der zulässige Frequenzbereich verbrei tert und unerwünschte Oszillatoren, die sonst bei kleinen Eingangsspannungen den Betrieb unmöglich machen, treten nicht auf. In principle, all 3 functions can be performed with a transistorized module Realize lator if this has a sufficient amplifier and low pass has effect. Push-pull modulators are particularly advantageous because here only the odd harmonics arise when mixing. This can make the low fit function can be realized more easily, which is particularly the case with monolytic Integration is important. In addition, the permissible frequency range is broadened tert and unwanted oscillators, which otherwise at low input voltages make the operation impossible, do not occur.

Für die erfindungsgemäße monolithische Integration einer solchen Schaltung mit unipolaren Transistoren ist von Vorteil, wenn der Mischer als doppel balanzierter Modulator (Doppelgegentaktmodulator) ausgeführt ist. In diesem Fall treten keine Probleme mit der Arbeitspunkteinstellung auf, da diese nicht mehr von der prozeßbedingten Schwankung der Schwellspannung der Tran sistoren abhängt. Dies liegt daran, daß nun sämtliche Signale Differenzsig nale sind.For the monolithic integration of such a circuit according to the invention Using unipolar transistors is beneficial if the mixer is double balanced modulator (double-balanced modulator) is executed. In this Case, there are no problems with the operating point setting, since this no longer from the process-related fluctuation in the threshold voltage of the tran sistor depends. This is because all signals are now differential nale are.

Die Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Frequenzteilers nach der Er findung, bei dem alle 3 Funktionen durch einen transistorisierten Modulator realisiert werden. Ein gesonderter Verstärker und ein gesonderter Tiefpaß sind also beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 nicht vorgesehen. Die Schaltung der Fig. 2 ist integrierbar. Als Halbleitermaterial für den Halbleiterkörper der integrierten Schaltung wird beispielsweise eine III-V-Verbindung wie z. B. Galliumarsenid verwendet. Die Eingangsspannung des Frequenzteilers, dessen Fre quenz f geteilt werden soll, liegt zwischen den Gate-Elektroden der Tran sistoren T 1 und T 1′. Die Gate-Elektroden von T 2 und T 2′ sowie von T 3 und T 3′ sind verbunden. Zwischen den Verbindungspunkten von T 2 und T 2′ einerseits und T 3 und T 3′ andererseits liegt die zweite Eingangsspannung des Mischers der Fre quenz f, die man dadurch erhält, daß die an den Lastwiderständen R ₁ anliegende Ausgangsspannung des Mischers als Differenzspannung über zwei Source-Folger (T 4, T 4′) zurückgeführt wird. Die beiden Source-Folger T 4 und T 4′ dienen zur Entkopplung und Pegelverschiebung. In Reihe zu den Source-Folgern liegen Schottky- Dioden zur weiteren Pegelverschiebung. Die Lastwiderstände R ₁ können durch Tran sistoren vom Verarmungstyp ersetzt werden. Die Transistoren T 5 . . . T 7 dienen als Stromquellen. Fig. 2 shows an embodiment of a frequency divider according to the invention, in which all 3 functions are implemented by a transistorized modulator. A separate amplifier and a separate low-pass filter are therefore not provided in the exemplary embodiment in FIG. 2. The circuit of FIG. 2 can be integrated. As a semiconductor material for the semiconductor body of the integrated circuit, for example, a III-V connection such. B. Gallium arsenide is used. The input voltage of the frequency divider, whose frequency f is to be divided, lies between the gate electrodes of the transistors T 1 and T 1 ' . The gate electrodes of T 2 and T 2 ' and T 3 and T 3' are connected. Between the connection points of T 2 and T 2 ' on the one hand and T 3 and T 3' on the other hand is the second input voltage of the mixer of the frequency f , which is obtained by the fact that the output voltage of the mixer applied to the load resistors R ₁ as a differential voltage over two Source follower (T 4 , T 4 ' ) is returned. The two source followers T 4 and T 4 ' are used for decoupling and level shift. Schottky diodes are in series with the source followers for further level shifting. The load resistors R ₁ can be replaced by transistors of the depletion type. The transistors T 5 . . . T 7 serve as current sources.

Die erforderliche Tiefpaßwirkung der geschlossenen Schleife wird durch die Grenz frequenz der Transistoren und die parasitären Kapazitäten erzielt. Bei Bedarf können zusätzliche Kapazitäten integriert werden. The required low-pass effect of the closed loop is determined by the limit frequency of the transistors and the parasitic capacitances achieved. If necessary additional capacities can be integrated.

Durch Einfügen einer extra Verstärkerstufe lassen sich die Eingangsem pfindlichkeit, die Breite des zulässigen Frequenzbandes und die maximale Betriebsfrequenz erhöhen. Eine solche Verstärkerstufe kann z. B. ein ein facher Differenzverstärker nach Fig. 3 sein, der aus den MESFET-Transi storen T 4 und T 4′, den Widerständen R 1 und R 2 sowie der Stromquelle -U _o besteht. Die Verstärkerstufe wird zwischen den Ausgang des Mischers und die Gate-Elektroden der Source-Folger in Fig. 2 geschaltet. Gegebenen falls ist durch bekannte Schaltungsmaßnahmen für eine Absenkung der Gleich spannung am Eingang des Verstärkers zu sorgen.By adding an extra amplifier stage, the input sensitivity, the width of the permissible frequency band and the maximum operating frequency can be increased. Such an amplifier stage can, for. B. a one-fold differential amplifier according to Fig. 3, the TES from the MESFET Transi T 4 and T 4 ' , the resistors R 1 and R 2 and the current source - U _o . The amplifier stage is connected between the output of the mixer and the gate electrodes of the source follower in FIG. 2. If necessary, known circuit measures must be taken to lower the DC voltage at the input of the amplifier.

Besonders gute Teilereigenschaften lassen sich jedoch mit einem Transimpe danzverstärker erzielen. Dieser besitzt bis zu hohen Frequenzen eine kleine Ein- und Ausgangsimpedanz und eine konstante Übertragungsfunktion, die durch den Quotient aus Ausgangsspannung und Eingangsstrom definiert ist.However, particularly good divider properties can be achieved with a transimp achieve danc amplifier. This has a small up to high frequencies Input and output impedance and a constant transfer function by the quotient of output voltage and input current is defined.

Die Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Frequenzteilers mit doppelt balanziertem Modulator und Transimpedanzverstärker, wobei ausschließlich MESFET-Transistoren verwendet werden. Der doppeltbalanzierte Modulator der Fig. 4 entspricht dem doppeltbalanzierten Modulator der Fig. 2. Ein Teil (T 4, T 4′, R ₄, -U _o) des Transimpedanzverstärkers der Fig. 4 entspricht der Differenzstufe der Fig. 3. Die Transimpedanzstufe mit den Transistoren T 4 und T 4′ wird dadurch realisiert, daß je ein Widerstand (R 5, R 6) zwischen Drain und Gate der Verstärkertransistoren geschaltet wird. Zur Pegelver schiebung kann, wie im Beispiel gezeigt, ein Source-Folger (T 6, T 6′) - u. U. mit Schottky-Dioden - in Reihe zum Gegenkopplungswiderstand geschaltet wer den. Die Transistorstromquellen sind durch Stromquellensymbole dargestellt. FIG. 4 shows an embodiment of a frequency divider with a double balanced modulator and transimpedance amplifier, only MESFET transistors being used. The double balanced modulator of FIG. 4 corresponds to the double balanced modulator of FIG. 2. A part (T 4 , T 4 ' , R ₄ , - U _o ) of the transimpedance amplifier of FIG. 4 corresponds to the differential stage of FIG. 3. The transimpedance stage with the transistors T 4 and T 4 ' is realized in that a resistor (R 5 , R 6 ) is connected between the drain and gate of the amplifier transistors. To level shift, as shown in the example, a source follower (T 6 , T 6 ' ) - u. U. with Schottky diodes - connected in series to the negative feedback resistor. The transistor current sources are represented by current source symbols.

Durch diesen Transimpedanzverstärker lassen sich die maximale Betriebsfrequenz, die Eingangsempfindlichkeit und die Breite des zulässigen Frequenzbereichs weiter erhöhen. Die Bedeutung der beiden weiteren Source-Folger mit den Transi storen T 5 und T 5′ und den in Reihe liegenden Schottky-Dioden wurde bereits an Hand von Fig. 2 erläutert.This transimpedance amplifier allows the maximum operating frequency, the input sensitivity and the width of the permissible frequency range to be increased further. The importance of the two other source followers with the transistors T 5 and T 5 ' and the Schottky diodes in series has already been explained with reference to FIG. 2.

Claims

1. Integrable transistorized frequency divider with a mixer, characterized in that the transistors of the divider are at least partially unipolar transistors (field effect transistors) and that the mixer is designed as a clock modulator.

2. Frequency divider according to claim 1, characterized in that the mixing stage is designed as a double-balanced modulator (double-balanced modulator).

3. Frequency divider according to claim 1 or 2, characterized in that it has a has transistorized amplifier and that the transistors of the amplifier are at least partially unipolar transistors.

4. Frequency divider according to one of claims 1 to 3, characterized in that the amplifier is a differential amplifier.

5. Frequency divider according to one of claims 1 to 4, characterized in that the amplifier is a transimpedance amplifier or ver holds.